朱曉璐 王江云

①碩士研究生，②研究員，中國科學(xué)院生物物理研究所, 北京 100101

地磁場保護地球和大氣層免受宇宙輻射的侵襲，同時也對地球表面的各種生命活動產(chǎn)生了潛移默化的影響。人類在指南針發(fā)明之前似乎完全沒有意識到地磁場的存在，而以候鳥為代表的眾多生物，卻都擁有感應(yīng)磁場的神奇本能，它們與生俱來地懂得利用磁場力來定向。與人使用的機械指南針不同，藏在生物體內(nèi)的磁導(dǎo)航設(shè)備不僅能發(fā)現(xiàn)南北方向，還能測出當(dāng)前位置的磁場強度和磁傾角，并可用來粗略估計它與磁極之間的距離。如此先進的生物指南針是如何發(fā)揮作用的？幾十年來，科學(xué)家們圍繞這一問題進行了堅持不懈的探索，現(xiàn)有的成果已將生物磁感應(yīng)現(xiàn)象的神秘面紗揭開了一角。首先讓我們從磁場的性質(zhì)開始逐節(jié)分析這種新感覺的奇妙之處。

1 什么是磁場

磁場是一種由運動的電荷和電場發(fā)生變化而產(chǎn)生的特殊物質(zhì)，能以機械力的方式作用于一定范圍內(nèi)的磁體或運動電荷。磁場在其作用的空間區(qū)域內(nèi)是連續(xù)分布的，具有大小和方向兩方面性質(zhì)，常用磁感應(yīng)強度矢量B來表示。很多物質(zhì)都能產(chǎn)生磁場，例如常見的磁石、磁鐵、通電導(dǎo)線等?？拷拇判晕镔|(zhì)能通過各自產(chǎn)生的磁場給另一方施加磁力，從而引發(fā)物體間的位置移動、形變等物理反應(yīng)。

眾所周知，構(gòu)成世間萬物的基本單位——原子由原子核和核外自旋同時繞核旋轉(zhuǎn)運動的電子組成。每一個運動的電子都會產(chǎn)生磁矩，就好像有很多很小的磁鐵存在于各個原子核之間。但是電子在核外電子軌道中的分布具有規(guī)律性，大多數(shù)原子核外向上和向下自旋的電子數(shù)目相同，產(chǎn)生的磁矩全部抵消，使得該原子整體不帶有磁性，所構(gòu)成的物質(zhì)對外就表現(xiàn)為抗磁性。少部分順磁性物質(zhì)，如過渡元素、鋁、鉑等原子的核外電子分布沒有占滿軌道，原子核外自旋方向不同的電子產(chǎn)生的磁矩不能相互抵消，但在一般條件下，物體內(nèi)部原子之間趨向混亂的熱運動使得每個原子所帶的磁矩指向不同的方向，整個物體也不能表現(xiàn)出明顯的磁性。只有當(dāng)對順磁性物質(zhì)施加一定強度的外部磁場時，物體內(nèi)部的小磁偶極子受到磁力作用，趨向于沿著外加磁場磁感線的方向統(tǒng)一而整齊地排列，指向相同方向的原子磁矩相互疊加，使整個物體周圍出現(xiàn)可檢測到的磁場，這個現(xiàn)象我們稱作順磁性物質(zhì)的“磁化”。而鐵磁性物質(zhì)(鐵、鈷、鎳)具有自發(fā)磁化的特征，可以在微弱磁場的影響下自發(fā)地產(chǎn)生磁場，即使在外部磁場消失后，物體內(nèi)部的磁性也會保留下來。人們正是利用這個原理將鐵器磁化，制成了用于辨別方向的指南針。

地球也是個巨大的磁體(圖1)。地磁場在地核產(chǎn)生，穿越厚達2 900 km的地幔和17 km的地殼到達人類和其他生物生活的地表，影響著數(shù)以萬計的生命現(xiàn)象。大多數(shù)人認(rèn)可用“發(fā)電機理論”解釋地磁場存在的原因，即外地核富鐵流體發(fā)生運動，像磁流體發(fā)電機一樣消耗熱能產(chǎn)生變化的電流同時出現(xiàn)磁場。地磁場強度在25～70 μT的范圍之內(nèi)，如果把地球看做一個磁偶極子，它的S極在地理北極附近，而N極在地理南極附近，地磁兩極連線“磁軸”與地球的自轉(zhuǎn)軸并不重合，有11.3°的夾角。用假想的磁感線描繪地磁場的方向和強度(規(guī)定小磁針 N極在磁場中受力方向為磁場方向，磁感線的密集程度反映了磁場強度)，可以看出，與條形磁鐵類似地，磁感線由地磁N極發(fā)出，在太空中延伸數(shù)萬公里形成“地磁圈引”，又重新聚攏于地磁 S極。正是這地磁場屏蔽了太陽風(fēng)(從太陽發(fā)出的強大帶電粒子流)對大氣層的破壞，像一頂“保護傘”罩在地球外面，使地表環(huán)境適合生物生存。

圖1 地磁場形態(tài)與條形磁鐵類似

伴隨著生物綿延進化數(shù)千萬年的地磁場，對大多數(shù)生物體的生命活動過程產(chǎn)生了深遠的影響。趨磁細菌能利用磁場力定向和游移；蜜蜂、螞蟻等社會性昆蟲利用磁場找到回家的路；蝙蝠、鼠類利用磁場在黑夜中辨別方向；遷徙的魚類、海龜和候鳥利用地磁場定向?qū)Ш剑磕觑w越數(shù)千公里的遷徙路線找到適合過冬或繁衍的地方……中國古代人民早在兩千多年前的春秋時期就發(fā)現(xiàn)了磁體的磁性質(zhì)。成書于公元前6世紀(jì)的《管子·地數(shù)》是最早記錄磁現(xiàn)象的古籍之一；戰(zhàn)國末年《呂氏春秋》記載“慈石召鐵，或引之也”，而西漢《淮南子》有云“其與銅則不通，求其引瓦，則難矣”，說明古代人民已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石對金屬鐵獨特的吸引力。《史記·封禪書》最早闡述了人造磁體的制作工藝，在當(dāng)時主要用于棋子的制作。兩千多年來，磁性物質(zhì)得到人類更廣泛的重視和應(yīng)用還有賴于指南針的發(fā)明。古人利用天然磁體兩極在地磁場磁力的作用下能分別指向地理南極和北極的性質(zhì)，制成了用于辨別方向的工具。目前經(jīng)過考證最早有關(guān)古代勺形指南針?biāo)灸系闹谱骱褪褂梅椒ǔ霈F(xiàn)在東漢王充的《論衡》中。經(jīng)過一千余年的發(fā)展，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，司南的使用在貿(mào)易和航?？焖侔l(fā)展的宋朝得到了普及。北宋大科學(xué)家沈括在他的大作《夢溪筆談》中詳細介紹了古代司南的四種架設(shè)方法、人工磁針的磁化工藝甚至還提到了有關(guān)磁偏角的發(fā)現(xiàn)。與沈括同時代的朱彧在《坪洲可談》一書中說“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦觀指南針”，這是司南運用于海上旅行最早的記載。指南針在 13世紀(jì)經(jīng)由阿拉伯傳入歐洲，對之后的海外大探險和世界經(jīng)濟發(fā)展起到了極大的促進作用。事實上，最早使用指南針的還不是我們，很多動物在人類文明起源之前就會使用“指南針”來辨別方向。

2 帶著地圖和指南針旅行的鳥

經(jīng)驗豐富的旅行家會在出發(fā)前做好充足的準(zhǔn)備，地圖和指南針是必不可少的裝備。地圖能夠準(zhǔn)確地反映旅行的起點、終點和路徑之間的空間分布；指南針因受磁力作用平行于地磁子午線的切線，兩端分指南北，可用來推知前行的方向。而候鳥在長距離遷徙之前似乎并不會準(zhǔn)備這兩樣?xùn)|西，它們每年在南北跨越數(shù)千公里的越冬地和繁殖地之間來回飛行卻從不迷路。

鴻雁是中國常見的候鳥，也是鳥綱雁形目鴨科雁屬中體型較大的一種，善游泳、喜結(jié)群，每年9至10月從黑龍江、吉林等地大規(guī)模飛往長江中下游及沿海省份過冬(圖 2)。遷徙時通常集中幾百甚至上千只個體，排列成整齊的“人”字、“一”字形隊伍緩緩前飛，甚為壯觀?！懊锨镏馒櫻惚保洗褐馒櫻銇怼薄秴问洗呵铩分腥绱擞涊d鴻雁的遷徙現(xiàn)象；古代民間更是有蘇武牧羊“鴻雁傳書”的奇妙傳說。鴻雁每年在固定的時間遷徙，年復(fù)一年永不停歇，被認(rèn)為是儒家五?！叭?、義、禮、智、信”的美好象征。世界上遷徙距離最長的候鳥應(yīng)屬北極燕鷗，這種鳥每年在北極附近繁殖，卻要穿過大西洋飛到南極海岸浮冰區(qū)過冬。另據(jù)科學(xué)家的調(diào)查，目前飛行距離最遠的鳥是一只海燕，它于 1982年在英國設(shè)得蘭群島耶爾桑德被套環(huán)，又于 2004年在納米比亞海岸被捕獲，遷徙距離長達6 000英里(1英里≈1.609 km)。

圖2 鴻雁(學(xué)名：Anser cygnoides)，雁屬，善遷徙

鳥類是怎樣在如此遙遠的遷徙旅程中獲得方位信息的呢？德國科學(xué)家 Kramer的地圖羅盤理論或許可以解釋這一切[1]。研究證實，一些鳥體內(nèi)擁有一套完善的磁導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實時敏銳地感知當(dāng)前位置的磁場性質(zhì)和非常細微的變化。簡單來講就是可以把某一地點的地磁場強度和磁傾角看作是“路標(biāo)”，當(dāng)鳥經(jīng)過或在那里停留時，這個磁信息路標(biāo)會被大腦記錄下來，而飛行中實時感覺到的磁力方向可以指引它們前往這一路標(biāo)地點，這無異于揣了個精準(zhǔn)的“指南針”；飛行經(jīng)驗豐富的成年鳥將一個個路標(biāo)和它們之間的距離、方向信息組合在一起，相當(dāng)于繪制了一張完整精細的“地圖”帶在身上。這樣子每只鳥都可以搖身一變成為聰明的旅行家了！

大量行為學(xué)實驗從各個方面印證了地圖羅盤理論的正確性。有科學(xué)家在赤道附近制造了一個假磁極，成功誘騙了遷徙中的花園鶯飛向錯誤的方向；還有一批研究人員在撒哈拉沙漠中設(shè)置了若干地磁路標(biāo)，在此放飛的夜鶯連續(xù)5天都沒能飛出沙漠；德國歌德大學(xué)的Wilschko將捕獲的歐亞鴝放入用電磁線圈纏繞的鳥籠中，發(fā)現(xiàn)小鳥的方向感出現(xiàn)混亂……

更多的研究者選擇飛行能力強且易飼養(yǎng)的家鴿為對象研究鳥類的磁導(dǎo)航現(xiàn)象。人類早在公元前1世紀(jì)就能馴養(yǎng)信鴿用于傳遞消息，五代后周王仁裕撰《開元天寶遺事》稱“家養(yǎng)群鴿，每與親知書信往來，只以書系鴿足上，依所教之處，飛往投之”。鴿子的歸巢欲很強，無論被帶出多遠都能找回原棲息地，可以看出它們也有相當(dāng)發(fā)達的定向能力。如果將家鴿在封閉黑暗的條件下運送至完全陌生的地點，所有的鴿子都能順利返回；若在運輸過程中增加電磁干擾，在到達放飛地點后，有歸巢經(jīng)驗的成年鴿可以很好地回歸，而幼鴿卻無法找到歸巢的路徑。這說明，鴿子在運輸途中，即使得不到任何視覺信息，也可通過記錄磁場的變化來明確歸巢的方向；若同時屏蔽了磁場信息，成年鴿可以利用根據(jù)飛行經(jīng)驗形成的“導(dǎo)航地圖”來準(zhǔn)確無誤地確定鴿巢的方位，而幼鴿則會迷路了[2]。Kenton給鴿子攜帶上永磁體，在陰天放飛后，大多數(shù)鴿子無法正確歸巢[3]；Walcott 和Green在鴿子頭部安裝了一個可控的電磁線圈，同樣是令其在陰天飛行，他們發(fā)現(xiàn)，可以通過改變線圈的電磁場來控制鴿子飛行的方向[4]；Dennis用 GPS追蹤鴿子的飛行路線，發(fā)現(xiàn)它們在靠近高壓電線、無線電臺等存在干擾磁場的區(qū)域時會發(fā)生定向混亂，而離開異常區(qū)后一切又都恢復(fù)正常[5]。很顯然，磁感覺是屬于鳥類五感之外的又一種新奇的“第六感”，它們能將來自視覺、聽覺和磁感覺的方向信息綜合起來加以分析整理，對前行的方向最終做出正確的判斷。

3 神秘的磁感應(yīng)現(xiàn)象從何而來

鳥類為何能感受到磁場？半個世紀(jì)以來，很多科學(xué)家為解決這個看似簡單的問題付出了艱苦的努力。近幾年生物指南針的真面目終于浮出水面，解釋其作用機理的兩種假說得到了大多數(shù)研究者認(rèn)可，它們分別是：“基于磁鐵礦的磁感受假說”和“化學(xué)磁感受假說”。

基于磁鐵礦的磁感受假說認(rèn)為，鳥和其他能感受磁場的生物體內(nèi)某些細胞中含有成簇的微小磁鐵礦晶體顆粒，當(dāng)存在外部磁場時，磁鐵礦顆粒因被迅速磁化沿著磁力線方向整齊排列；這些磁晶體的簇陣列會隨著外磁場方向的變化而改變，不同程度地觸發(fā)下游的信號通路，將磁場信息逐級傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)[6]。關(guān)于內(nèi)生磁鐵礦微粒的研究，起始于在美國東海岸鹽沼沉積物中發(fā)現(xiàn)的趨磁細菌(圖3)[7]。這是一類具有趨磁性行為的微生物，能夠沿磁場方向運動。趨磁細菌通過生物控制礦化作用產(chǎn)生磁鐵礦晶體，并將其成簇地包裹在膜中，形成線形地排列于細胞壁附近的一連串“磁小體”結(jié)構(gòu)。富鐵的磁小體能調(diào)節(jié)細胞內(nèi)氧化還原壓力和鐵平衡，更重要的是，它借助磁性顆粒在磁場中受到的磁力，讓趨磁細菌運動起來。十幾年來，越來越多高等動物被發(fā)現(xiàn)也能合成相同的磁鐵礦晶體，如蜜蜂、海龜、鱒魚和部分鳥類。Beason于1984年指出“鳥類嘴部篩竇部位含有大量磁鐵礦”[8]，2年后他又提出“長刺歌雀篩竇內(nèi)磁鐵礦晶體含量足以作為磁羅盤使用”[9]。Winklhofer等人用電鏡觀察家鴿嘴部，發(fā)現(xiàn)了直徑1～2 μm的富鐵晶體顆粒，類似的結(jié)構(gòu)隨后在歐亞鴝、花園鶯等其他鳥中也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。Wilschko和 Beason一起用短促強磁場處理不同種類的候鳥，它們都出現(xiàn)了不同程度的定向障礙，推測是磁干涉改變了內(nèi)生磁鐵礦顆粒的磁化狀態(tài)，從而導(dǎo)致磁感應(yīng)體系發(fā)生混亂[10]。由此可見，以細胞內(nèi)磁鐵礦晶體簇為指針的磁定向理論是頗為可靠的。

圖3 趨磁細菌磁小體鏈[11]

化學(xué)磁感受假說則認(rèn)為，生物體內(nèi)一種光敏感的色素蛋白，在受到特定波長的光刺激之后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了一對臨時配對的自由基對；這個自由基對的自旋狀態(tài)能隨著磁場的變化而快速改變，令生物在第一時間感受到變化的磁場信息。Leask率先提出鳥類的磁感應(yīng)功能是依賴于光照的[12]，隨后大名鼎鼎的Wilschko用實驗證實，部分鳥類的磁辨向能力在僅有紅光照射的條件下大大減弱，而它們在藍綠光波長范圍內(nèi)的光照下對方向的判斷最為準(zhǔn)確[13]。這暗示鳥類的磁感應(yīng)需要一個對藍綠光敏感的蛋白來啟動級聯(lián)的光感反應(yīng)。最近，一種藍光受體分子隱花色素蛋白(CRY)在鳥類視網(wǎng)膜上被發(fā)現(xiàn)，它在不同強度磁場的刺激下表現(xiàn)出不同的活性(圖 4)[14]。這種蛋白早在30年前Gressel對隱花植物光受體的研究中就有所提及[15]，Ahmad 和 Cashmore在1993年分離出了擬南芥CRY1基因，得知它編碼一種黃素蛋白，具有藍光受體的功能[16]，隨后Lin等在擬南芥中分離出了與CRY1有50%相似性的CRY2[17]。隱花色素蛋白長久以來被認(rèn)為是參與調(diào)節(jié)植物的胚軸生長、開花時間和生理周期的信號分子，CRY1和CRY2的作用大體相同。近幾年的研究結(jié)果表明，隱花色素蛋白在果蠅、小鼠、牛、馬等大型哺乳動物甚至人的視網(wǎng)膜中都有存在。Ahmad的擬南芥實驗印證了隱花色素蛋白對變化磁場的敏感性：在藍光照射下，給擬南芥周圍加上從33～40 μT到500 μT逐漸增加的磁場，植物的發(fā)育表現(xiàn)出磁場強度相關(guān)的下胚軸生長抑制，而cry缺失突變體下胚軸的生長不會受到磁場變化的影響[18]。Solov'yov等也通過實驗發(fā)現(xiàn)，有 CRY參加的高等植物其他信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也有不同程度磁場依賴性[19]。隱花色素蛋白在藍光激發(fā)下通過一系列電子傳遞步驟產(chǎn)生的自由基對，將外周磁場變化以電信號的形式反映出來。目前有關(guān)動物體內(nèi)隱花色素蛋白作用機理的實驗證據(jù)尚不足，但可以確定的是，這種在有磁感受能力的高等動物中廣泛分布且高度保守的蛋白在生物的磁導(dǎo)航過程中起到了至關(guān)重要的作用。

實際上，分別基于磁鐵礦和隱花色素蛋白的兩種磁感應(yīng)機制之間并無矛盾，少數(shù)生物的磁感應(yīng)僅涉及其中一種，而大多數(shù)則是兩者兼具，互為補充；兩種磁受體同時感應(yīng)磁場，再加上來自太陽、星空和地面標(biāo)志物的視覺信息，使得生物辨別方向的準(zhǔn)確率大大提高。聰明的動物如何將來自多個感官的方向信息整合起來？當(dāng)兩個生物個體靠近時，由潛藏在一個個體內(nèi)部的磁鐵礦產(chǎn)生的磁場是否會對另一個體產(chǎn)生影響？這能否成為不同物種之間身份識別的工具，或是同種生物內(nèi)部互相溝通的密語？目前還不得而知。

圖4 隱花色素蛋白(灰)及其內(nèi)部自由基對結(jié)構(gòu)：FAD(紅)-3色氨酸鏈(黃)[19]

4 人類為何沒有地磁感應(yīng)能力

近些年來，越來越多的生物被發(fā)現(xiàn)有感應(yīng)磁場的能力，從最早的趨磁細菌，到有遷徙行為的候鳥、鱒魚、海龜和利用磁場定向的鴿子、蜜蜂、蝙蝠和老鼠；甚至那些既不遷徙也無需感知磁場的擬南芥、鼴鼠和大型食草動物似乎也都能對變化的磁場產(chǎn)生響應(yīng)。既然如此，人們很自然地聯(lián)想到：人類是否也能感受到磁場呢？

很多科學(xué)家提出了肯定的假設(shè)：我們的視網(wǎng)膜細胞中含有豐富的隱花色素蛋白，從人腦提取物中也分離出了磁鐵礦晶體；Ritz更是將人CRY基因?qū)腚[花色素蛋白缺陷型果蠅中，確實令原先不能辨別方向的果蠅恢復(fù)了磁定向能力。而否定這一假設(shè)最簡單而直接的證據(jù)就是，我們中間，至少是大多數(shù)人，在陌生的環(huán)境中，是無法僅靠這第六種感覺找到正確方向的。

“就算人有地磁感應(yīng)能力——我也不會靠它來分辨東南西北?！盧itz笑言。誠然，人類擁有良好的視力，習(xí)慣于白天活動，并且長途旅行時都會帶著真的“指南針”和“地圖”；或許我們的祖先也曾有過非凡的磁定向能力，但今天我們已經(jīng)不需要它了。研究人員猜測，和擬南芥類似地，人類擁有獲取磁信息的磁鐵礦和隱花色素蛋白，卻丟失了處理磁信息的完整系統(tǒng)；隱花色素作為接受光照調(diào)節(jié)生物鐘的工具被保留下來，而磁鐵礦可能僅僅是代謝產(chǎn)生的廢物。

5 地磁場消失了會怎樣

千百萬年來，地磁場維持了地球生物賴以生存的自然環(huán)境，而今天在人們享受工業(yè)文明進步所帶來的便利生活的同時，密集的電力設(shè)施、輸電線路和信息網(wǎng)絡(luò)所引發(fā)的電磁輻射污染問題也漸漸凸現(xiàn)出來。雖然人類既不需要憑借磁場力運動也不用靠感受磁場來辨別方向，但在人體內(nèi)實現(xiàn)信號傳遞、維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)的金屬離子、組成細胞骨架等重要結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)甚至遺傳物質(zhì)載體核酸都對磁場變化有十分敏感的響應(yīng)。另據(jù)研究數(shù)據(jù)分析，地球磁場強度與160年前相比已下降了10%，這可能與地核巨型渦流反向旋轉(zhuǎn)有關(guān)。逆轉(zhuǎn)的漩渦持續(xù)擴大將引起地球磁場方向的徹底改變。地磁南北兩極在600萬年內(nèi)已發(fā)生3次大翻轉(zhuǎn)，最近的一回在 70萬年前，考古資料顯示每一次磁極顛倒都與遠古生物大絕滅在時間上有關(guān)聯(lián)。地球磁場方向在南北變換時會出現(xiàn)一個磁場強度接近零的空白時期，各種宇宙射線不受控制地橫掃地球表面，令生命遭受滅頂之災(zāi)。傳言恐怖的地磁倒轉(zhuǎn)在 2012年就會發(fā)生，引發(fā)世界末日的慘劇，而事實并非如此。剛剛平安度過 2012年的事實告訴我們，人類離真正的末日還有一段距離。如何能阻止絕滅的災(zāi)禍，讓我們的種群長長久久地存在下去？這正是大量科學(xué)工作者常年奮斗的主題。

面對逐年減弱的地磁場和日趨復(fù)雜的磁環(huán)境，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了更多更復(fù)雜的生物磁效應(yīng)：他們在實驗室中架設(shè)了不同強度、不同頻率、不同方向、不同變化趨勢的磁場，并在場中培育各種各樣的實驗動植物，觀察它們在異常磁場中的生理活動，由此也得出了五花八門的實驗結(jié)果。亞磁空間模擬的是地磁場消失時的環(huán)境狀態(tài)，目前采用線圈補償及金屬屏蔽的方法在實驗室中創(chuàng)造出一塊磁場強度接近零的無磁區(qū)域。工作人員通過對比暴露在亞磁空間中的生物與其生活在地磁空間中的同類個體之間的差異來發(fā)現(xiàn)新的生物磁效應(yīng)。最早建立亞磁空間并嘗試在其中飼養(yǎng)實驗兔子的是前蘇聯(lián)科學(xué)家，1979年，他們發(fā)現(xiàn)將空間磁場強度減至100 nT會使新生兔死亡率增加，同時存活幼兔的發(fā)育也受到負(fù)面影響[20]。后又有日本、烏克蘭、羅馬尼亞等國的科研人員分別嘗試在亞磁場中飼養(yǎng)大鼠、豚鼠、倉鼠、小雞、鸚鵡等，均得出了類似“活力下降”“激素水平失調(diào)”“神經(jīng)系統(tǒng)受損”“生殖能力減弱”的結(jié)果[21]。

中國科學(xué)院生物物理研究所的莫煒川在老師的幫助下建立起一個亞磁場生物培養(yǎng)體系并實施了一系列細胞及整體水平實驗，獲得了很好的結(jié)果。他首先在亞磁環(huán)境中培養(yǎng)了人類神經(jīng)瘤細胞母細胞系(SH-SY5Y細胞)，觀察到胞內(nèi)微絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細胞粘附和遷移能力下降但增殖速度加快；隨后他又將在亞磁場中處理2天的細胞與對照組的mRNA表達譜進行比對，篩選出了一系列差異表達基因。莫煒川接下來觀察了非洲爪蟾在亞地磁場中的發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)爪蟾胚胎第三次卵裂的朝向發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)育畸形，他推測還是異常磁場影響了細胞分裂期紡錘體微管的組裝，引起卵裂溝朝向變化。莫煒川最后又根據(jù)他的地磁恢復(fù)實驗首次提出了亞磁場的“近旁效應(yīng)”，即經(jīng)過亞磁場處理的細胞能以某種途徑作用于撤銷影響后新生的細胞，使之繼續(xù)保持在應(yīng)激狀態(tài)；這可能會使個體生理功能的恢復(fù)出現(xiàn)滯后性[22]。

習(xí)慣于生活在 50 μT地磁場環(huán)境中的人類和其他生物，一旦被移入幾乎沒有磁場的亞磁空間，都會出現(xiàn)一定程度的不良反應(yīng)，這說明地磁場的存在是生物體保持正常代謝不可或缺的因素之一。實驗生物在消失的磁場中所表現(xiàn)出的異常反應(yīng)給在地磁場中對生物磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究指明了方向；同時對亞磁空間生物效應(yīng)的探索也將為人類日后脫離地磁場保護、開發(fā)宇宙空間鋪平道路。

人類關(guān)于磁場與生物的研究起始于半個世紀(jì)前，如今的研究結(jié)果已令部分曾經(jīng)的假設(shè)得到了證實：磁場，不僅是地磁場，對生物的生理活動的確有明顯的影響；以候鳥為代表的眾多生物都擁有利用磁場力運動或是辨別方向的能力。但磁場究竟如何作用于生命活動，而生物體又將如何處理來自磁場的信息，目前尚未能得出清晰的結(jié)論。大量的難題還等著未來的科學(xué)家們?nèi)ソ鉀Q，路漫漫其修遠兮，相信“第六感”的秘密終將大白于天下。

(2013年1月3日收稿)

[1] KRAMER G. Wird die Sonnenhohe bei der Heimfindeorientierung verwertet? [J]. J Ornithologie, 1953, 94(3): 201-219.

[2] WILSCHKO R, WILTSCHKO W. Evidence for the use of magnetic outward journey information in homing pigeons [J].Naturwissenschaften, 1978, 65(2): 112-113.

[3] KENTON W T. Magnets interfere with pigeon homing [J]. Proc Natn Acad Sci USA, 1971, 68(1): 102-106.

[4] WALCOTT C, GREEN R P. Orientation of homing pigeons altered by a change in the direct ion of an applied magnetic field [J]. Science,1974, 184(4133): 180-182.

[5] DENNIS T E, RAYNER M J, WALKER M M. Evidence that pigeons orient to geomagnetic intensity during homing [J]. Proc Biol Sci,2007, 274(1614): 1153-1158.

[6] HANZLIK M, HEUNEMANN C, HOLTKAMP-ROTZLER E, et al.Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons [J]. Biometals, 2000, 13: 325-331.

[7] BLAKEMORE R. Magnetotactic bacteria [J]. Science, 1975,190(4212): 377-379.

[8] BEASON R C, NICHOLS J E. Magnetic orientation and magnetically sensitive material in a transequatorial migratory bird [J].Nature, 1984, 309: 151-153

[9] BEASON R C, BRENNAN W J. Natural and induced magnetization in the bobolink,Dolichonyx oryzivorus(Aves: Icteridae) [J]. J Exp Biol, 1986, 125: 49-56.

[10] WILTSCHKO W, BEASON R C. Magnet effekte bei der Heimorientierung von Brieftauben [J]. Verh dt Zool Ges, 1991, 83:435-436.

[11] JOGLER C, SCHüLER D. Genomics, genetics, and cell biology of magnetosome formation [J]. Annu Rev Microbiol, 2009, 63:501-521.

[12] LEASK M J M. A physiochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons [J]. Nature, 1977,267: 144-145.

[13] WILTSCHKO W, MUNRO U, FORD H, et al. Red light disrupt smagnetic orientation of migratory birds [J]. Nature, 1993, 364:525-527.

[14] MOURITSEN H, JANSSEN-BIENHOLD U, LIEDVOGEL M, et al.Cryptochromes and activity markers co-localize in bird retina during magnetic orientation [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(39):14294-14299.

[15] GRESSEL J. Blue light photoreception [J]. Photochem and Photobiol,1979, 30(6): 749-754.

[16] AHMAD M, CASHMORE A R.HY4gene ofA. thalianaencodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor [J]. Nature,1993, 366: 162-166.

[17] LIN C T, YANG H Y, GUO H W, et al. Enhancement of blue-light sensitivity of Arabidopsis seedlings by a blue light receptor cryptochrome 2 [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95(5):2686-2690.

[18] AHMAD M, GALLAND P, RITZ T, et al. Magnetic intensity affects cryptochrome-dependent responses in Arabidopsis thaliana [J]. Planta,2007, 225(3): 615-624.

[19] SOLOV'YOV I A, CHANDLER D E, SCHULTEN K. Magnetic field effects inArabidopsis thalianacryptochrome-1 [J]. Biophys J, 2007,92(8): 2711-2726.

[20] KOPANEV V I, EFIMENKO G D, SHAKULA A V. Biological effect of a hypogeomagnetic environment on anorganism [J]. Biol Bull Acad Sci USSR, 1979, 6(3):289-298.

[21] 莫煒川, 劉纓, 赫榮喬. 亞磁場及其生物相應(yīng)機制[J]. 生物化學(xué)與生物物理進展, 2012(9): 1-11.

[22] 莫煒川. 亞地磁場的細胞生物學(xué)效應(yīng)及其機制研究——胚胎發(fā)育、細胞增殖、和細胞骨架結(jié)構(gòu)[D].北京:中國科學(xué)院生物物理研究所, 2011.